一种LED灯光自动调光系统设计方案

随着社会的发展人们对照明的要求越来越高，照明越来越普遍化、多样化、耗能化，能源缺乏问题也随之成为社会关注的焦点，LED作为一种新型光源，具有高效节能、绿色环保、使用寿命长等优点，代表着未来照明技术的发展方向。本设计是一种基于单片机STC12C5A60S2的LED自适应调光系统，通过光敏传感器感知外界光强，单片机系统依据此信号以PWM控制方式联合大功率LED驱动芯片ULN2003实现LED灯亮度调节的设计，从而实现光线强度的自动调节，以达到节能的目的。

随着经济的快速发展，全球的能源消耗增长越来越快，伴随而来的后果则是大量的环境被污染和生态遭到破坏，现在人们正在寻找新的节能方式。

人类消耗能源的比较重要的方面其中之一就是照明，根据我国调查，中国每年照明的用电量达到3000亿度以上。如果全部的白炽灯有LED照明灯取代，可节省的用电量将达到1000亿度。开发和推广应用节能系统，成为迫在眉睫的任务。LED作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯之后的第四代新光源。基于单片机的LED自适应调光系统，是一种典型的绿色照明方式，与传统照明相比，具有智能、节能、环保、寿命长、安全可靠等这些优点，这是代表着照明技术的未来。基于此本文设计了一种LED灯光自动调光系统，可以根据环境的亮暗自动调节光的强弱。该系统成本低廉，有很强的现实意义和广泛的应用前景。

1 系统硬件方案设计

硬件系统的各个组成部分和其应该实现的功能是：

1)主控单元。整个系统装置的核心部分，所有采集到的信号、数据要经过CPU的处理，并进行判断，发出控制信号。
2)光信号采集模块。实时测量环境光强度，然后进行光电转换和A/D转换，送入主控单元进行处理，作为判断光强度信息和监控的目标。
3)电源模块。为装置提供需要的电源，包括各种集成芯片需要的数字电源，采集单元需要的模拟电源和LED驱动电路的电源。电源要能够保证其稳定性，使各个单元能够正常工作。
4)按键电路。用于设置环境光报警值。
5)报警、显示电路。报警电路用于当环境光低于设定的环境光报警值时自动报警提示。显示电路用于显示环境光强度大小。
6)LED灯驱动电路。驱动芯片ULN2003接收单片机发出的PWM信号来驱动LED灯亮、调节其亮度大小。

2 系统设计方案

2.1 单片机的选择

STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。其中写入单片机内的程序可以进行加密处理，可以保护你的劳动成果不受侵犯。重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多，市场供应也很充足。是一款高性价比的单片机。考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用STC12C5A60S2单片机来实现。

图1：系统硬件总体结构图

2.2 LED灯调光方案

采用脉宽调制(PWM)来调光。通过STC12C5A60S2产生的PWM波来调节驱动芯片，来实现调光的目的。PWM调光具有精度高，节能，易于实现智能控制的等特点。

本系统拟采用STC12C5A60S2单片机作为主控模块，由光电转换电路采集外界光强信号，经A/D转换送单片机处理，单片机根据处理结果智能调节输出PWM来控制驱动电路的电流大小，并以此来调节LED的亮度大小。

2.3 光信号采集电路

光线检测电路是比较重要的一个部分，其中关键的元件有两个，一个是光敏电阻，一个可调电阻。光敏电阻通过对当前环境光线的强弱来改变自己的阻值，从而改变其两端的电压，来达到控制LED灯亮暗的效果，还可以根据实际情况再加一个可调电阻，通过改变电阻的大小来改变光敏电阻的灵敏度。如果认为天色还挺亮的，灯就开了，那就把电阻变大些，光敏电阻的灵敏度就下降了，这样就可以等到天暗下来时再开灯，同样的，天已经很暗了，灯还没亮，那就把电阻调小点，这样反复多调几次，就可以把LED灯调到一个最理想最合适的状态了。下图为光信号采集电路。

图2：光信号采集电路

2.4 按键电路与报警电路设计

独立式键盘就是一个按键对应一个端口输入，每一个按键都有一个按键电路来区分是否有按键按下。这些按键可以直接与单片机I/O线相接或者是通过输入口与数据线相连接，结构比较简单。按键电路如图3所示。

图3：按键电路

环境光低于设定的环境光报警值时自动报警提示，如图4所示。

图4： 报警电路

2.5 LED驱动电路设计

灯光驱动电路是整个系统中硬件电路的关键，他决定着整个系统的工作性能，而且本系统所采用的是PWM控制自动调光，来实现室内的亮度调节。

ULN2003是一种大电流驱动阵列，适用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡这些控制电路中。可直接驱动继电器这些负载。当输入5VTTL电平，输出则可达到500 mA/50 V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003的每一对达林顿都都是串联一个2.7K的基极电阻，当工作在5 V的电压下它能够与TTL和CMOS电路直接相连连，可以去直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2003是一种具有高电压大电流，是达林顿晶体管阵列系列的产品，ULN2003不仅在电流增益、工作电压方面好的特点。而且还有温度范围宽、带负载能力强这些特点，能够适用于各类需要高速大功率驱动的系统。

ULN2003的输出端可达500 mA/50 V。输出端的二极管学名为续流二极管。如果ULN2003的达林顿管输入端输入低电平使其截止，其驱动的元件是感性元件，则电流不能突变，此时会产生一个高压;如果没有二极管，达林顿管会被击穿，所以这个二极管主要起保护作用。由于ULN2003是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚(pin9)接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。

因为本设计中需要用ULN2003来驱动灯，图5是LED灯的驱动电路。

图5：LED灯的驱动电路

2.6 电源模块硬件设计

由于目前我国居民最常用为220 V，50 Hz交流电，而系统需+5 V直流电，故电源模块采用220 V转12 V变压器，然后经桥式整流及LM317稳压芯片处理，最后经滤波后输出+5 V直流电压。电源模块电路图如图6所示。

图6：电源模块电路图

3 系统软件设计及实现

3.1 系统总体程序

软件开始首先必须对单片机进行初始化，其中初始化的内容包括：PWM的设定，定时器初始化，各I/O口的功能设定等。初始化完成程序后程序进入光线强度采集部分，并将处理了的数据通过对于关系的PWM输出，并显示相应的光线强度值。

图7：总体程序框图

3.2 光信号采集程序

光信号采集程序用ADC0832来对输入的光敏电阻的电压进行采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其程序流程图如图8所示。

图8：光信号采集程序

4 结论

本系统的主要优点是系统的功能全面同时达到了智能节能的要求，技术难点在于对光照强度信号的采集与对应灯光强度的控制。由于我们采用的是光敏电阻，AD采集光敏电阻两端电压会经过光照强度的增加而变小，以此通过一定比例关系映射到PWM的占空比上来调节对应的光强度。

本系统制作的主要设计源泉来源于生活，因此创新之处也在于处理生活中一些比较常见的问题。光敏电阻采集信号，利用单片机进行处理，以达到便于控制的目的。当房间亮度不够时，台灯便会自动点亮，省去了黑暗中摸开关的麻烦。本设计结构简单，有较强的实际意义。